Русский Электрические источники света и светильники. Опыт сравнительного анализа

Десятки тысяч лет человечество видело и использовало только естественный свет Солнца да искусственный свет от горящей органики. Прорыв наступил менее 200 лет назад, когда впервые был получен свет, созданный электричеством. С тех пор и началась борьба за совершенствование электрических источников света, повышение эффективности световых приборов и повышения качества света. Оставив в стороне все прочие способы получения света как малопригодные для широкой практики, попробуем провести сравнение весьма многочисленных электрических источников света и светильников на их основе.

Вначале о некоторых свойствах исторических источников света. Солнечный свет имеет практически равномерную интенсивность во всем диапазоне длин волн от инфракрасных до ультрафиолетовых. Его видимая цветовая температура зависит, в основном, от положения Солнца на небосводе и облачности и изменяется приблизительно от 6500 К в безоблачный полдень до 4000 К на закате. Цветовая температура при использовании для освещения горящей органики близка к 2500 К, а ее спектр примыкает к красной границе видимого диапазона световых волн. За миллионы лет эволюции зрение будущего homo sapiens формировалось – как и большинства дневных животных – под действием солнечного света, поэтому человеческий глаз, охватывая весь диапазон видимого света, имеет максимальную чувствительность к желто-зеленому свету (555 нм) и распределение чувствительности близкое к нормальному.

Электрические источники света проходят свой эволюционный путь. От первоначального дугового разряда (цветовая температура которого была близка к солнечной при безоблачном полуденном небе) в силу технологических и экономических причин перешли к излучению света нагретым телом, помещенным в вакуум или инертную среду, нагреваемым электрическим током. Для увеличения срока службы такой лампы нагрев излучающего тела ограничивают температурой до 2800 К.

Лампа получилась удачной: высокая технологичность, возможность автоматизации процесса изготовления, непрерывный спектр излучения, низкая цена, прямое включение в электрическую сеть. Одно плохо – коэффициент преобразования электрической энергии в свет не превышает 5%. И все хорошо, пока в городе одна "лампочка Ильича". А когда сотни тысяч?

Начались поиски путей повышения светового выхода ламп.

Прорывным на пути повышения световой отдачи оказалось использование электрического разряда в газовой среде. Эксперименты проводились в широком спектре веществ и дали несколько практических выходов. Использование тлеющего и дугового разрядов в разнообразных газовых смесях позволило во второй половине 20 века создать очень широкую номенклатуру газоразрядных источников света, в том числе со световой отдачей более 100 лм/Вт, что до 10 раз превышает отдачу ламп накаливания.

Революционным прорывом стало появление твердотельных источников света, получивших изначально название светодиодов (поскольку появились технологии с удаленным от синего СД люминофором, то наименование становится не совсем корректным). Для нас практический интерес представляют "белые" светодиоды, которые за 15 лет развития достигли светоотдачи в серийной продукции до 160 лм/Вт.

Светоотдача различных современных источников света приведена в таблице 1.

Таблица 1

Глядя на таблицу хочется сразу выбрать для экономии электроэнергии при минимальных затратах НЛНД. Не будем спешить. Потребителя интересуют не параметры для книги Гиннеса, а работа в условиях изменения температуры, напряжения, качество света и срок службы. А в этом случае картина изменяется.

Рассмотрим влияние снижения напряжения. Для лампы накаливания , включая галогенную, очевидно, что снижение напряжения уменьшает температуру нагрева, а значит и светимость нити лампы. Снижение светимости на начальном участке приближается к линейному, т.е. можно считать равным проценту снижения напряжения. У газоразрядных ламп связь между снижением напряжения и светимостью сложнее. Устойчивая работа газоразрядных ламп возможно только при наличии в цепи устройств, поддерживающих силу тока в заданных пределах. Для люминесцентных ламп это снижение еще больше, чем у ЛН, поэтому в странах с развитым законодательством по энергосбережению эксплуатация их допускается только с электронными ПРА. В таблице 2 приведены средние величины снижения светового потока при снижении напряжения питания на 10%.

Таблица 2

Для российских условий очень важна работа в условиях пониженных температур. Если на лампы накаливания и светодиоды низкие температуры не сказываются, то, например, люминесцентные лампы при снижении температуры на 20 градусов от комнатной снижают световой поток на 50%, а ниже минус 5 градусов могут не включиться вовсе, что исключает возможность их использования на открытом воздухе и в не отапливаемых помещениях. Для ртутных ламп снижение температуры влечет увеличение времени разгорания до 15 минут при температуре минус 40 градусов, а у металлогалогенных при минус 20 градусах – до 10 минут, а также трудности с повторным включением. Именно поэтому в районах с холодным климатом газоразрядные лампы не выключают по полгода!

Общим отрицательным показателем для всех газоразрядных ламп являются большие потери в электромагнитной ПРА, составляющие от 20% подводимой мощности у люминесцентных ламп до 40 и более у ДНаТ. Эти потери можно снизить вдвое при применении электронных ПРА, но у нас они пока не получили распространения из-за высокой стоимости и низкой надежности.

Обобщая все вышеизложенное, рассчитаем светоотдачу светильников мощностью 200 Вт с использованием усредненных показателей при работе со сниженным на 10% напряжением питания и температуре минус 10 градусов, что удовлетворяет большинству реальных условий эксплуатации. Световые потери светильника (светопропускание и светоотражение) примем равными 10 и 5 %. Недостающие данные и результаты расчета приведены в таблице 3.

Таблица 3

До сих пор мы не принимали в расчет такие параметры источников света как характеристики спектра, и, следовательно, индекс цветопередачи. Только лампы накаливания и светодиоды имеют непрерывный спектр, у всех остальных он линейчатый, т.е. дискретный. За счет примесей в газовой атмосфере можно изменять цветовую температуру и качество различения цветов, однако линейчатый спектр не позволяет достичь цветопередачи дневного света.

Появление мощных белых СД потребовало развития некоторых критериев оценки качества света, являющихся параметрами по договоренности, поскольку получаемые величины существенно расходятся с реальностью. Так уже в течение нескольких лет NIST, США, работает над созданием показателя, названного CQS (Шкала качества цвета), который призван заменить индекс цветопередачи CRI. Для правильной хроматографии белых СД уже выпущен и применяется для классификации СД стандарт ANSI, учитывающий помимо коррелированной цветовой температуры отклонение от локуса Планка (желтовато-розоватый оттенок).

 Известно, что на свету и в темноте в глазу человека работают разные светочувствительные элементы, определяющие фотопическое и скотопическое видение. Ученые Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли разработали фактор, названный S/P-отношение, который представляет собой соотношение между фотопическими  и эквивалентными люменами, воспринимаемыми глазом при промежуточных (mesopic) условиях. Фотопический люмен соответствует только реакция колбочек и игнорирует вклад палочек в видение. Таким образом, фотопические люмены должны быть умножены на отношения S/P, чтобы точно рассчитать учетный люмен (3). Для визуально эффективных люменов введено обозначение PLm. Полученные в результате исследований коэффициенты и пересчитанная из таблицы 3 световая эффективность приведены в таблице 4.

Таблица 4

 Примечание. СД CREE X-PG 5000К.

В первый момент полученные данные потрясают, и в этом также состоит заслуга светодиодных светильников, которые заставляют посмотреть на итоговые результаты с учетом всех отрицательных факторов. Это в какой-то мере связано с тем, что в соответствии с действовавшими ГОСТами измерялись световые параметры только источников света.

Именно потому СНиПы предусматривают громадные запасы при проектировании систем освещения. При этом мы еще не учитывали фактор временной деградации источников света, а также в реальности достижимые сроки их службы, особенно в сетях низкого качества. Повысить светоотдачу светильников с газоразрядными лампами можно на 30-40% с использованием ЭПРА, но достичь качества света сопоставимого со светодиодными светильниками ожидать не приходится.  Это делает переход на светодиодные светильники неотвратимым фактом, срок реализации которого будет зависеть только от выделения средств на реконструкцию и стоимости электроэнергии.

Итоги

Появление мощных белых светодиодов и светильников на их основе с высокими качеством света и энергоэффективностью вызвало необходимость разработки новых методик определения светотехнических и энергетических характеристик источников света и светильников.

Выводы

Белые светодиоды с их огромной скоростью совершенствования параметров все активнее вытесняют другие источники света из самых разных областей применения. Вкупе с программами повышения энергоэффективности, принимаемыми на всех уровнях вплоть до мировых, это делает переход к LED неотвратимым фактом развития освещения.

Автор: Осипов В. М., советник ген. директора ЗАО ПО "Электроточприбор"